PNAS：加州大学洛杉矶分校开发了诺奖获奖技术的关键改进

一种叫做低温电子显微镜的技术使科学家能够以高分辨率看到生物分子的原子结构。但到目前为止，它在小分子成像方面还没有效果。一个由加州大学洛杉矶分校领导的生物化学家团队设计了一种解决方案，可以在小蛋白质分子被成像时保持在适当的位置，这将使低温电子显微镜能够产生更清晰的此类分子图像。这一进展意义重大，因为中小型蛋白质分子是癌症和其他疾病潜在新药研究的重点领域。

　　

获得2017年诺贝尔化学奖的科学家们因开发了一种名为冷冻电子显微镜(cryo-EM)的技术而受到表彰。这项技术是革命性的，因为它使科学家能够以高分辨率看到生物分子的原子结构。

但是低温电子显微镜仍然有一个缺点:它只对大分子成像有效。

现在，加州大学洛杉矶分校的生化学家与制药行业的科学家合作，已经开发出一种解决方案，使低温电子显微镜也有可能获得小蛋白质分子的高质量图像。科学家们设计了一种20纳米的立方体蛋白质结构，称为支架，具有坚硬的三脚架状突起，可以固定小蛋白质。

在处理图像时，支架可以通过数字技术从图像中删除，只留下科学家正在分析的小蛋白质的复合3D图像。

中小型蛋白质是潜在新药研究的热点，这些新药有一天可能被用来对抗一些最棘手的人类疾病。科学家们正在研究一种可能用于癌症治疗的蛋白质，并对这种蛋白质进行了测试，这种进步可以针对几乎任何小蛋白质进行定制。研究人员期望扩大低温电子显微镜的成像能力将帮助他们确定蛋白质上的特定位置，从而达到治疗目的。

一篇关于这项新研究的论文发表在《美国国家科学院院刊》上。

在冷冻电镜技术中，科学家使用冷冻电子显微镜将电子束穿过冷冻的材料样品，在样品中留下数千个分子(如蛋白质)的图像。这些分子被精确地成像，就像它们在样本中一样，从不同的角度拍摄了数千张分子的二维照片。计算机处理协调所有这些照片以形成正确的3D图像——分离背景，将方向相似的图像分组在一起，生成单个分子的高分辨率3D图像。

但是当涉及到成像最小的蛋白质分子时，它们的微小尺寸使得不可能确定它们在图像中的方向，这导致图像的分辨率相对较低。

在之前的研究中，科学家们试图通过将小分子附着在更大的支架上来解决这个问题，但这些实验表明，如果小分子附着得太灵活，它们会以不同的角度和方向从支架上伸出来——这仍然会产生模糊的图像。

“图像是模糊的，因为当计算机不能准确地确定方向时，它就不能创造出清晰的合成图像，”加州大学洛杉矶分校生物化学杰出名誉教授、加州大学洛杉矶分校基因组学和蛋白质组学能源部临时主任、该论文的通讯作者托德·耶茨(Todd Yeates)说。

在这项新研究中，科学家们创造的支架具有三脚架形状的突出物，可以捕获蛋白质并将它们牢牢地固定在原位，从而产生他们所希望的更高分辨率的图像。

Yeates说:“将小分子刚性地附着在较大的支架上，可以产生足够大的颗粒来成像，并且它们都具有完全相同的3D形状。”“然后，这个过程就像往常一样，可以构建高分辨率的3D图像。”

加州大学洛杉矶分校的博士后研究员、该研究的主要作者罗杰·卡斯特尔斯-格里尔斯说，科学家们首先尝试了另一种形状的支架，然后才选择了具有三脚架形状的支架。

“一开始，我们用一根‘棍子’指向外面，效果不太好，”他说。“新的支架有三胞胎的突起，像三脚架一样指向彼此，牢牢地固定着蛋白质。”

研究人员通过尝试创建一种名为KRAS的蛋白质的图像来测试他们的支架。KRAS促进细胞增殖，并与大约25%的人类癌症有关;制药研究人员对此特别感兴趣，因为确定蛋白质上与其致癌能力相关的特定位置可以帮助科学家设计药物来中和这些位置的活性——这可能是治疗癌症的一条途径。

利用冷冻电镜和他们开发的支架，加州大学洛杉矶分校领导的团队能够观察到附着在药物分子上的KRAS的原子结构，该药物分子正在作为肺癌潜在治疗方法的一部分进行研究。他们的工作证明，新的支架冷冻电镜方法可以阐明药物分子如何结合并抑制细胞蛋白质，如KRAS，并有助于指导更有效药物的开发。

Castells-Graells说，这项新进展的潜在应用并不局限于抗癌药物。

他说:“我们的支架是模块化的，可以组装成任何结构，以捕获和容纳各种小蛋白质分子。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的支持，并与阿斯特拉-利康(Astra-Zeneca)的科学家合作，该团队由克里斯·菲利普斯(Chris Phillips)领导，而Gandeeva Therapeutics的团队由斯里拉姆·苏布拉曼尼亚姆(Sriram Subramaniam)领导。